Nové typy ocelí pro konstrukce se zvýšenou odolností proti požáru

Požární odolnost budov, jejichž nosná konstrukce je tvořena ocelovými nosníky, může být zvýšena několika různými způsoby:
 

• návrhem konstrukce a použitím konstrukčních prvků se zvýšenou požární odolností tak, aby byly vystaveny účinkům požáru pouze částečně (ochranné požární nástřiky apod.),
• použitím větších nosných průřezů konstrukčních prvků,
• použitím ocelí se zvýšenou pevností za vysokých teplot ve srovnání s klasickými konstrukčními ocelemi.

Tento příspěvek shrnuje požadavky kladené na konstrukční oceli vyznačující se zvýšenou pevností v intervalu teplot, kterým mohou být vystaveny právě při požáru, a uvádí výsledky hodnocení užitných vlastností dvou laboratorních taveb tohoto typu oceli spolu se srovnáním materiálových charakteristik s již zavedenou ocelí FRS 30 vyráběnou konsorciem ThyssenKrupp.

MATERIÁLOVÁ PROBLEMATIKA PROTIPOŽÁRNÍ ODOLNOSTI OCELI
Nosné ocelové konstrukce obytných a občanských budov nebo konstrukce průmyslových staveb mohou být při mimořádné požární situaci vystaveny účinkům velmi vysokých teplot. S tímto faktem je potřeba pracovat již při navrhování konstrukce na účinky požáru, které musí zaručit, že se ocelové nosné prvky při požáru neporuší v čase potřebném především pro evakuaci a záchranu osob v požárním úseku.

Při požáru dochází k intenzivnímu ohřevu ocelového konstrukčního prvku, což s sebou přináší pokles jeho pevnostních charakteristik, zejména pak meze kluzu, meze pevnosti a také Youngova modulu E. Pokud je pokles meze kluzu v důsledku požáru tak vysoký, že jeho hodnota podkročí okamžité pracovní napětí, konstrukční element se zdeformuje nebo poruší. Teplota, při níž k tomu dojde, se udává jako kritická teplota a dosahuje u běžných typů konstrukčních ocelí asi 550 °C – může však kolísat i v závislosti na velikosti konstrukčního prvku. Při této teplotě si ocel zachovává pouze 60 % své původní meze kluzu za laboratorní teploty.

Požární odolnost stavebních konstrukcí se určuje podle ČSN EN 1363-1 [1] a souvisejících norem a je dána časem, po který nesmí dojít k destrukci objektu. Tento čas je určen požárními předpisy podle typu, složitosti a důležitosti objektu v intervalu od 15 minut až do tří hodin. Stavební konstrukce se pak podle požární odolnosti zařazují do této stupnice požární odolnosti: 15, 30, 45, 60, 90, 120 a 180 minut.

PŘI NAVRHOVÁNÍ JE NUTNÉ RESPEKTOVAT NORMY
Při navrhování nosných ocelových konstrukcí na účinky požáru je nutné respektovat ustanovení platné EN pro zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru a postupy a pravidla podle EN 1993-1-2 pro navrhování ocelových konstrukcí na účinky požáru [2]. Tato norma definuje jednotlivé materiálové charakteristiky, se kterými konstruktéři pracují při svých výpočtech. Materiálová problematika je ovšem v normě EN 1993-1-2 omezena pouze na uvedení dvou skupin materiálů – jedné uhlíkové konstrukční oceli a tří značek austenitických ocelí. Navíc uhlíková konstrukční ocel P235 je ocel s minimální mezí kluzu, což způsobuje, že výpočty jsou značně konzervativní a naprosto ignorují různé materiálové charakteristiky a pevnostní úroveň ocelí. Například při výpočtu je použita ocel P235 s charakteristickou mezí kluzu při pokojové teplotě 235 MPa, avšak reálná mez kluzu daného výrobku může dosahovat (a také zpravidla dosahuje) hodnoty až 300 MPa. Toto zvýšení pevnosti s sebou přináší rovněž zvýšení kritické teploty až o 75 °C. Podle sdělení zpracovatelů českého překladu se rozšíření této skupiny ocelí v nejbližší době nepředpokládá. Řešením může být zpracování materiálových charakteristik tohoto nového materiálu do nové normy ČSN nebo také do národního dodatku k evropské normě. Tyto národní dodatky jsou zcela běžně využívány a představují určitou cestu adaptace evropských norem na podmínky té které členské země EU.

Nejvíce pozornosti je ocelím se zvýšenou odolností proti požáru věnováno v Japonsku [3], [4], [5],[6], obecně v Asii. Je to dáno zejména překotným vývojem v této oblasti, masivními investicemi i ze strany vyspělých zemí a stále rostoucím průmyslovým potenciálem těchto ekonomik (Čína, Indie, Malajsie). V Evropě pak přihlásily své oceli k patentové ochraně přední výrobci jako je Mannesmann [7], ThyssenKrupp [8], [9], Corus [10] nebo Ilva [11]. Na základě patentové a literární rešerše lze konstatovat, že požadovaných vlastností ocelí se zvýšenou odolností proti požáru se dosahuje jednak optimalizovaným chemickým složením oceli, jednak cestou termomechanického zpracování, kdy vznikají jemné částice precipitátů, které jsou významným příspěvkem ke zpevnění oceli.

ZÁKLADNÍ POŽADAVKY NA NOVÝ TYP KONSTRUKČNÍ OCELI
Základní požadavky na nový typ konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti požáru jsou:

• minimalizovaná cena oceli,
• optimalizované chemické složení oceli,
• výrobky dodávané ve stavu po řízeném válcování nebo normalizačním žíhání,
• zaručená svařitelnost, nejlépe bez předehřevu a tepelného zpracování po svařování, dostupnými technologiemi a přídavnými materiály,
• garance zvýšené odolnosti proti deformaci za zvýšených teplot, resp. ztrátě tvarové stability konstrukce.

Experimentální materiál
Na základě výše určených požadavků bylo navrženo chemické složení dvou taveb se společnou legující bází 0,1–0,15 % C – 1,5 % Mn – 0,10 % V a legované dále molybdenem na úrovni 0,10–0,15 %, resp. 0,20–0,25 %. Zvýšená odolnost této oceli proti ztrátě tvarové stability za vysokých teplot je dána jednak zpevněním tuhého roztoku molybdenem a dále precipitačním zpevněním karbidy, resp. karbonitridy na bázi vanadu i molybdenu. Předpokládá se, že ocel bude vyráběna běžnými technologiemi, např. na kyslíkovém konvertoru s aplikací mimopecní rafinace, a bude odlévána do plynule litých předvalků kruhového nebo obdélníkového průřezu. Finálními výrobky pak budou plechy, pásy, válcované profily, příp. i trubky (bezešvé i svařované) a tyče dodávané ve stavu po normalizačním žíhání nebo ve stavu po řízeném válcování s předpokládanými úrovněmi meze kluzu a meze pevnosti 300, resp. 450 MPa. Navrhovanou ocel je možné také alternativně vyrábět jako mikrolegovanou niobem s koncentrací do 0,08 % Nb – předností této oceli by se však plně využilo zřejmě pouze u ocelí řízeně válcovaných.

Při ověřování mechanických vlastností těchto ocelí byly provedeny tahové zkoušky při laboratorní teplotě a dále při zvýšených teplotách až do 800 °C.

Ve stejném období byl zakoupen plech tl. 20 mm z oceli FR275 N (je známá pod komerčním označením FRS 30) z produkce konzorcia ThyssenKrupp (viz sloupec Ocel FRS 30 v tabulce 1). Jedná se o nejkomplexněji popsaný materiál ze skupiny ocelí se zvýšenou odolností proti požáru. Na tomto plechu byl realizován totožný program ověřování vlastností při laboratorní i zvýšených teplotách a jeho výsledky byly porovnány s výsledky získanými na našich laboratorních tavbách.

Z tohoto srovnání je patrný velmi podobný průběh teplotní závislosti meze kluzu u všech tří ocelí. Ocel FRS 30 vykazuje oproti oběma laboratorním tavbám mírně vyšší meze kluzu do 250 °C a nad 350 °C (obr. 1).

Pro porovnání výsledků mechanických vlastností s hodnotami, uváděnými normou EN 1993-1-2, byl také použit redukční faktor k_T popisující poměr pevnostních charakteristik oceli při zvýšené a laboratorní teplotě podle následujícího vztahu:

kT = Ri (T) / Ri (20 °C),

kde R_i (T) je určitá pevnostní charakteristika stanovená při teplotě T a R_i (20 °C) je tatáž pevnostní charakteristika stanovená při teplotě laboratorní.

The danger of terrorist attacks, fires and subsequent collapse of buildings (mainly with reference to the terrorist attack on the World Trade Centre in September 2001) means that fire capacity and the possibility of its increase have once again become up-to-date subjects. Materials with a higher resistivity to heat form a prospective group of steel, which will expand on a worldwide scale, also with reference to the renewed construction of tall buildings and skyscrapers. The article describes the development of a new type of steel, which at present has the disadvantage of a higher price given by the inclusion of molybden. Optimization of the chemical composition and reducing the amount of molybden will offer a new direction of development.

Celý nezkrácený článek včetně všech tabulek a grafů naleznete v časopisu KONSTRUKCE číslo 3/2006. 

Autoři

• Ing. Stejskalová Šárka
• Ing. Kuboň Zdeněk